Лабораторная работа ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Лабораторная работа 2. ИЗУЧЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель И Содержание Работы: Рассмотреть и исследовать характеристики и параметры плоскостных полупроводниковых диодов. Снять прямые и обратные характеристики диодов при комнатной температуре.

Задание

1. Записать паспортные данные исследуемых диодов, зарисовать схему расположения выводов.

2. Собрать схему для снятия прямых характеристик диодов (рис. 1).

3. Снять прямые характеристики германиевых и кремниевых плоскостных диодов при комнатной температуре и при 210° К. Результаты наблюдений занести в таблицу 1.

Таблица 1

И, В	0,05	0,10	0,15	0,20	0,3	0,4	0,5
/, мА

4. Собрать схему для снятия обратных характеристик диодов (рис. 2).

Рис. 1. Схема для снятия прямых характеристик, диода.

+ 0

Рис. 2. Схема для снятия обратных характеристик диода.

5. Снять обратные характеристики Диодов при комнатной температуре и при 210° К. Результаты наблюдений занести в таблицу 2.

Таблица 2

V, В	10	30	50	100	150	200	250
/, мкА

Методические Указания

1. При лабораторных измерениях нельзя превышать величину тока выше номинальной, указанной в паспорте прибора, а величину напряжения — выше максимальной.

2. При снятии прямых характеристик диодов удобнее задавать величину тока через диод и отмечать получающиеся при этом напряжения. Для этого последовательно с диодом (рис. 1) включить сопротивление, ограничивающее ток.

3. Прямую и обратную характеристики диода строить на одном графике, выбрав разные масштабы по вертикали и горизонтали. Для каждого диода следует построить отдельный график.

4. Параметры диодов: среднее значение падения напряжения в прямом направлении, которое при наибольшем выпрямленном токе составляет 0,3-0,8 В; допустимое обратное напряжение U0бр. Величина обратного напряжения в различных типах диодов достигает нескольких сотен вольт.

5. При снятии прямых характеристик диодов пределы напряжения тока

Uпр=0,1-1В и Iпр = 1- 100 мА

6. При снятии обратных характеристик диодов пределы напряжения и тока

Uобр=0-100В и Iобр = 0- 0,2 мА

Теоретические Сведения

1. Полупроводниковый диод представляет собой двухслойный полупроводник с Р И п-типом электропроводности, как показано на рисунке 3, а. Левый слой содержит .акцепторную примесь и обладает электропроводностью р-типа, а правый — донорную и обладает электропроводностью n-типа.

В области, прилегающей к границе перехода, образуется запорный слой, обладающий выпрямительными свойствами. Такой слой перехода называется электронно-дырочным или р—n-переходом.

Электрический процесс в р—n-переходе с резким изменением типа проводимости на границе изображен на рисунке 3.

Под влиянием разности концентраций дырки диффундируют из р-области в n-область. Аналогичным образом электроны из n-области диффундируют в р-область. При этом n-область заряжается положительно, а р-область — отрицательно (рис. 3, б). В результате в области р—n-перехода возникает двойной электрический слой, образующий потенциальный барьер. Образование двойного электрического слоя происходит в результате обеднения приконтактного слоя П - И р-областей свободными носителями тока, вследствие чего приконтактные области обладают повышенным сопротивлением. Эту область называют запорным слоем. Ширина запорного слоя зависит от проводимости полупроводника.

Процесс прохождения тока через электронно-дырочный переход, к которому приложено напряжение, можно рассмотреть в такой последовательности:

Допустим, что положительный полюс источника э. д.с. соединен с n-областью (рис. 4,а), а отрицательный — с р-областью. При таком включении высота потенциального барьера возрастает. Это приводит к расширению запорного слоя. Такое включение называют обратным. Диффузионное перемещение основных носителей из одной области в другую прекращается. В этом случае через переход протекает только небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями.

Рис. 3. Распределение объемных зарядов и потенциалов в области Р—n-переходов:
а—-диод; Б — Распределение зарядов; в —распределение потенциалов.

Рис. 4. Высота потенциального барьера:

А — закрытого диода; б — открытого диода.

Попадая в поле Р—n-перехода, дырки переносятся из n-области в р-область, а электроны, наоборот, из р-области в n-область.

При приложении к Р—n-переходу прямого напряжения (рис. 4,6), когда минус батареи присоединен к n-области, а плюс — к р-области, высота потенциального барьера уменьшается.

Диффузионный ток дырок увеличивается, так как количество дырок, которые могут преодолеть потенциальный барьер и перейти в n-область, возрастает.

Аналогичная картина имеет место и для электронов. В этом случае через переход протекает прямой ток, равный сумме дырочной и электронной составляющих.

Зависимость тока через р—n-переход от напряжения определяется выражением

(1)

Где I0 — суммарный ток насыщения, текущий через переход при обратном смещении,
Е — заряд элемента,
К — постоянная Больцмана,

Т — абсолютная температура,
U — напряжение на переходе.

Так как , то при положительных напряжениях, меньших 1 В, величина прямого тока может достигать нескольких сотен ампер на квадратный сантиметр.

Рис. 5. Характеристики диода в зависимости от температуры.

При отрицательных напряжениях величина уменьшается, и ток через переход стремится к току насыщения, который для большинства современных диодов находится в пределах
10-3— 10-2 А, в зависимости от типа диода и температуры (рис. 5).

Таким образом, величина тока, протекающего через диод, зависит от значения и знака приложенного напряжения. Вольт-амперные характеристики кремниевого и германиевого диодов представлены на рисунке 5.

Если единицей в уравнении (1) пренебречь, то прямой ток будет нарастать по экспоненте. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики Р—N-перехода показана на рисунке 5 в первом квадранте. При обратном напряжении на Р—N-переходе, согласно соотношению (1), экспоненциальным членом в этом выражении можно пренебречь при U>0,1 В. При дальнейшем увеличении
обратного напряжения, величина обратного тока не изменяется. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики Р—N-перехода показана в третьем квадранте.

Параметры полупроводниковых выпрямительных ДИОДОВ:

1. Среднее значение прямого и обратного токов. Прямой и обратный токи зависят от типа и размера диода. Для разных диодов прямые токи изменяются от нескольких миллиампер до сотен ампер. Обратный ток во много раз меньше прямого.

2. Среднее значение падения напряжения в прямом направлении; при наибольшем выпрямлении тока оно составляет 0,1—1 В.

3. Допустимое обратное напряжение, для различных типов диодов обратное напряжение изменяется от единицы до сотен вольт.

Рис. 6. Разрез диода и его условное обозначение

Наиболее распространены в настоящее время германиевые и кремниевые сплавные диоды. Германиевые сплавные диоды изготовляют путем сплавления индия с германием м-типа, кремниевые — алюминия с кремнием n-типа.

Конструкция германиевого сплавного диода типа Д7 показана на рисунке 6, справа—условное обозначение полупроводникового диода.

Отчет

Отчет должен содержать:

1. Паспортные данные и схему расположения выводов исследуемых диодов.

2. Схемы испытаний полупроводниковых диодов.

3. Прямые и обратные характеристики диодов, снятые при комнатной температуре.

4. Графики зависимостей прямого и обратного сопротивлений диодов по постоянному току при комнатной температуре.

5. Прямые сопротивления Rпр всех исследуемых диодов по постоянному току при номинальном прямом токе (или напряжении), а также обратные сопротивления Rобр всех диодов при номинальном обратном напряжении.

6. Графики зависимостей прямого и обратного сопротивлений диодов по постоянному току от температур.

Вопросы Для подготовки

1. Что такое собственная, электронная и дырочная проводимости полупроводников?

2. Как влияет температура окружающей среды на характеристики полупроводникового диода?

3. Назовите основные параметры точечных и плоскостных диодов.

4. Назовите преимущества и недостатки полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными.

5. Каковы основные области применения полупроводниковых диодов?